Le tube électronique a longtemps été le seul composant actif existant. Il a permis la fabrication, souvent en grande série, des premiers appareils électroniques : récepteur radio, téléviseur, radar, etc.

Il a connu son apogée dans les années 1960-1970. Puis les équipements de radio, radar, télévision, ainsi que les calculateurs, ont demandé de plus en plus de fonctions actives, rendant rédhibitoires les problèmes de volume, de consommation et de fiabilité du tube électronique, malgré de nombreuses améliorations. Le transistor utilisé d'abord seul, puis sous forme de circuit intégré, qui palliait ces défauts,

a supplanté dans la plupart des applications le tube électronique, notamment dans les applications basse et moyenne puissance : radio, vidéo, audio ou logique.

Malgré tout, les tubes sont toujours utilisés pour des applications spécifiques, comme les très fortes puissances et la très haute fréquence : les fours à micro-ondes, le chauffage par radiofréquence industriel, les émetteurs de radio et de télévision, les radars, les satellites. Certains audiophiles et musiciens les préfèrent encore comme composant d'amplificateurs Hi-Fi haut de gamme et pour guitare électrique, quoique leurs avantages soient controversés, en dehors de l'effet vintage.

Les premiers tubes

Une audion de 1906

Articles détaillés : Diode à vide et Triode (électronique).

John Ambrose Fleming, conseiller scientifique à la société Marconi invente, en novembre 1904, la diode à vide basée sur une observation de Thomas Edison qui permet de créer un courant unidirectionnel à partir d'un courant alternatif.

La construction de la diode conduit en 1906 Lee De Forest à placer une autre électrode, un fil enroulé, ou écran, appelé la grille de contrôle, entre le filament et la plaque, d'abord à l'extérieur du tube, puis en 1908 à l'intérieur. De Forest découvre que le courant circulant du filament vers la plaque (anode) dépend de la tension appliquée sur la grille, et que le courant de grille est très faible et composé des électrons captés par celle-ci. Quand la tension appliquée sur la grille varie, le courant du filament vers la plaque varie lui aussi. De cette façon la grille exerce un contrôle électrostatique sur le courant de la plaque. Ce composant à trois électrodes permet de réaliser un circuit qui

a du gain, c'est-à-dire que l'on peut recueillir, sur l'électrode de sortie, une puissance supérieure à celle fournie à l'électrode d'entrée. Il permet ainsi, pour la première fois, la construction d'un amplificateur électronique. Les tubes en resteront le composant actif jusqu'à ce qu'ils soient remplacés par les transistors. De Forest appelle son invention l'audion. Il croyait qu'un vide partiel était nécessaire, erreur corrigée dans les années suivantes par Irving Langmuir et son pliotron. En 1919, William Eccles propose d'appeler « diode » le tube à vide contenant deux électrodes et « triode » celui qui en contient trois. Contrairement aux noms précédemment utilisés, ces dénominations sont génériques et ne sont pas couvertes par des brevets ; elles deviennent rapidement d'usage général.

Les batteries étaient conçues pour fournir les différentes tensions et intensités nécessaires au fonctionnement des postes de radio. Les batteries A fournissaient la tension du filament. Les batteries B fournissaient la tension de plaque. Jusqu'à nos jours la plaque est référencée « B+ ». Les batteries C fournissaient la tension de polarisation (négative), bien que plusieurs circuits de polarisation existent : polarisation par courant de grille, polarisation par résistance de cathode ou polarisation par une tension. Maintenant nous n'utilisons plus les batteries, mais certains montages (surtout anglais) utilisent encore cette notation A, B, C.

Plusieurs innovations suivirent. Il devint plus courant d'utiliser le filament pour chauffer une électrode séparée appelée la « cathode », et d'utiliser cette cathode pour émettre le flux d'électrons dans le tube à la place du filament. Cela réduit les bruits de fond dus au passage d'un courant dans le filament quand celui-ci est alimenté en alternatif. Dans certains tubes, le filament est appelé chauffage (heater) pour le différencier de la partie active (la cathode dans ce cas).

Les triodes utilisées dans les émetteurs et récepteurs radio avaient tendance à osciller à cause des capacités parasites entre l'anode et la grille de contrôle. Plusieurs circuits complexes furent développés pour réduire ce problème (l'amplificateur Neutrodyne par exemple), mais le problème persistait pour des plages de fréquences larges. Il fut alors découvert que l'ajout d'une seconde grille, située entre la grille de contrôle et la plaque et appelée grille écran (screen grid) pouvait résoudre ces problèmes. Une tension positive légèrement plus faible que la tension de plaque était appliquée, et la grille écran était reliée au zéro par un condensateur (pour les hautes fréquences). Cela permet un découplage entre l'anode et la grille de commande, et ainsi l'élimination des problèmes d'oscillations (réduction de la capacité grille de commande/plaque grâce à la grille écran). Ce tube à deux grilles fut appelé une « tétrode », ce qui signifie quatre électrodes actives (cathode, grille de commande, grille écran, plaque).

La pentode

Toutefois, la tétrode présente un problème, surtout dans les applications à fort courant de pointe. À de forts courants transitoires, la plaque peut devenir négative par rapport à la grille écran. Comme la grille écran accélère beaucoup les électrons, ceux-ci possèdent une force suffisamment importante pour revenir vers la grille écran après avoir heurté la plaque, ce qui crée une émission secondaire d'électrons qui sont capturés par la grille écran, réduisant le courant de plaque et l'amplification du circuit. Là encore, la solution est d'ajouter une autre grille entre la grille écran et la plaque, appelée « grille d'arrêt » ou « grille suppressive ». Elle est reliée au zéro ou à la cathode du tube, recevant ainsi une tension négative par rapport à la plaque. L'émission secondaire de l'anode retourne ainsi à sa source grâce au champ électrostatique (de la grille d'arrêt). Ce tube avec trois grilles se nomme « pentode », car il possède cinq électrodes actives (cathode, grille de commande, grille écran, grille d'arrêt, anode).

Améliorations de la triode

Articles détaillés : Triode (électronique) et Tétrode.

La non-linéarité de la caractéristique tension/courant de la triode pose des problèmes de distorsion à faible volume. Cette distorsion ne doit pas être confondue avec la distorsion à fort volume, que l'on appelle habituellement « écrêtage ». Pour résoudre ce problème, les ingénieurs ont tracé les courbes du courant de plaque en fonction de la tension de grille, et ont découvert une zone de fonctionnement presque linéaire. Pour utiliser cette zone, une tension négative doit être appliquée sur la grille de manière à se placer dans la zone linéaire sans signal appliqué sur la grille. Cette condition est appelée le point de repos. Le courant de repos est une valeur importante dans un montage. La tension à amplifier est appliquée sur la grille, ajoutée à la tension négative dite tension de polarisation ou de bias ; cela a pour effet de faire varier le courant de plaque de façon linéaire en fonction de la tension de grille : si la tension de grille augmente, le courant de plaque augmente, et si la tension de grille diminue, le courant de plaque diminue et cela de manière proportionnelle dans les deux sens, jusqu'à la saturation de fort volume.